JP2009084151A - Method of manufacturing thin film of potassium niobate, surface acoustic wave element, frequency filter, frequency oscillator, electronic appliance, and method of manufacturing thin film of kxna1-xnb1-ytayo3 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法、表面弾性波素子、周波数フィルタ、周波数発振器、電子回路、及び電子機器に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a potassium niobate single crystal thin film, a surface acoustic wave device, a frequency filter, a frequency oscillator, an electronic circuit, and an electronic apparatus.
携帯電話等の移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、これらに使用される表面弾性波素子の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子の開発の方向としては、携帯電話機等と同様、小型化、高効率化、高周波化の方向にあり、そのためには、より大きな電気機械結合係数(以下、k2)、より大きな表面弾性波伝播速度、が必要となる。例えば、高周波フィルタとして用いる場合には、損失の小さく帯域幅の広い通過帯域を得るために高k2が望まれる。共振周波数を高周波化するためには、インターディジタル型電極(Inter−Digital Transducer、以下、IDT)のピッチを形成する際のデザインルールに限界があるため、より音速の速い材料が望まれている。さらに、使用温度領域での特性の安定化を得るためには、中心周波数温度係数(TCF)が小さいことが必要となる。 With the remarkable development of the communication field centering on mobile communications such as mobile phones, the demand for surface acoustic wave elements used in these fields is rapidly expanding. The direction of development of the surface acoustic wave device is in the direction of downsizing, higher efficiency, and higher frequency, similar to mobile phones, etc. For this purpose, a larger electromechanical coupling coefficient (hereinafter referred to as k 2 ), larger Surface acoustic wave propagation velocity is required. For example, when used as a high frequency filter, a high k 2 is desired to obtain a passband with a small loss and a wide bandwidth. In order to increase the resonance frequency, there is a limit to the design rules for forming the pitch of an inter-digital electrode (hereinafter referred to as IDT), and therefore, a material with a higher sound speed is desired. Furthermore, in order to obtain stabilization of characteristics in the operating temperature region, it is necessary that the center frequency temperature coefficient (TCF) is small.
表面弾性波素子は、従来、主として圧電体の単結晶上にIDTを形成した構造が用いられてきた。圧電単結晶の代表的なものとしては、水晶、ニオブ酸リチウム(以下、LiNbO3)、タンタル酸リチウム(以下、LiTaO3)等である。例えば、広帯域化や通過帯域の低損失化が要求されるRFフィルタの場合には、k2の大きいLiNbO3が用いられる。一方、狭帯域でも安定な温度特性が必要なIFフィルタの場合は、TCFの小さい水晶が用いられる。さらに、k2及びTCFがそれぞれLiNbO3と水晶との間にあるLiTaO3は、その中間的な役割を果たしている。ただし、k2の最も大きいLiNbO3でも、k2〜20%程度であった。 Conventionally, a structure in which an IDT is formed on a single crystal of a piezoelectric material has been used for a surface acoustic wave device. Typical examples of the piezoelectric single crystal include quartz, lithium niobate (hereinafter, LiNbO 3 ), lithium tantalate (hereinafter, LiTaO 3 ), and the like. For example, LiNbO 3 having a large k 2 is used in the case of an RF filter that requires a wide band and a low loss in the pass band. On the other hand, in the case of an IF filter that requires stable temperature characteristics even in a narrow band, a crystal having a small TCF is used. Furthermore, LiTaO 3 in which k 2 and TCF are respectively between LiNbO 3 and quartz plays an intermediate role. However, even the largest LiNbO 3 of k 2, were k 2 of about 20%.
最近、ニオブ酸カリウム(以下、KNbO3)(a=0.5695nm、b=0.5721nm、c=0.3973nm、以下、斜方晶としては本指数表示に従う)単結晶において、大きなk2の値を示すカット角が見出された。0°YカットX伝播(以下、0°Y−X)KNbO3単結晶板が、k2=53%と非常に大きな値を示すことが計算によって予測された(例えば、非特許文献1参照。)。また、0°Y−XKNbO3単結晶板が、k2〜50%の大きな値を示すことが実験でも確認され、45°から75°までの回転Y−XKNbO3単結晶板を用いたフィルタの発振周波数が、室温付近で零温度特性を示すことが報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。これらの単結晶板が、表面弾性波基板として用いられている(例えば、特許文献1参照。)。 Recently, in a single crystal of potassium niobate (hereinafter referred to as KNbO 3 ) (a = 0.5695 nm, b = 0.5721 nm, c = 0.3973 nm, hereinafter according to the present exponent display as an orthorhombic crystal), a large k 2 A cut angle indicating a value was found. It was predicted by calculation that the 0 ° Y-cut X propagation (hereinafter, 0 ° Y-X) KNbO 3 single crystal plate exhibits a very large value of k 2 = 53% (see, for example, Non-Patent Document 1). ). Also, it was confirmed in experiments that the 0 ° Y-XKNbO 3 single crystal plate exhibits a large value of k 2 to 50%, and the filter using the rotated Y-XKNbO 3 single crystal plate from 45 ° to 75 ° It has been reported that the oscillation frequency exhibits zero temperature characteristics near room temperature (see, for example, Non-Patent Document 2). These single crystal plates are used as surface acoustic wave substrates (see, for example, Patent Document 1).
圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子では、k2、温度係数、音速等の特性は材料固有の値であり、カット角及び伝播方向で決定される。0°Y−XKNbO3単結晶板はk2に優れるが、45°から75°までの回転Y−XKNbO3単結晶板のような零温度特性は室温付近において示さない。また、伝播速度は同じペロブスカイト型酸化物である、チタン酸ストロンチウム(以下、SrTiO3)やチタン酸カルシウム(以下、CaTiO3)に比べて遅い。このように、KNbO3単結晶板を用いるだけでは、高音速、高k2、零温度特性を全て満足させることはできない。 In a surface acoustic wave device using a piezoelectric single crystal substrate, characteristics such as k 2 , temperature coefficient, and sound velocity are values specific to the material and are determined by a cut angle and a propagation direction. Although the 0 ° Y-XKNbO 3 single crystal plate is excellent in k 2 , the zero temperature characteristics of the rotated Y-XKNbO 3 single crystal plate from 45 ° to 75 ° do not show near room temperature. In addition, the propagation speed is slower than that of the same perovskite oxide, strontium titanate (hereinafter, SrTiO 3 ) and calcium titanate (hereinafter, CaTiO 3 ). Thus, the high sound speed, high k 2 , and zero temperature characteristics cannot all be satisfied only by using the KNbO 3 single crystal plate.
そこで、何等かの基板上に圧電体薄膜を堆積し、その膜厚を制御して、音速やk2、温度特性を向上させることが期待される。サファイア基板上に酸化亜鉛(ZnO)薄膜を形成したもの(例えば、非特許文献3参照。)、LiNbO3薄膜を形成したもの(例えば、非特許文献4参照。)等が挙げられる。従って、KNbO3についても、基板上に薄膜化して諸特性を全て向上させることが期待される。 Therefore, it is expected that a piezoelectric thin film is deposited on some substrate and the film thickness is controlled to improve sound speed, k 2 , and temperature characteristics. Examples include those in which a zinc oxide (ZnO) thin film is formed on a sapphire substrate (for example, see Non-Patent Document 3) and those in which a LiNbO 3 thin film is formed (for example, see Non-Patent Document 4). Therefore, it is expected that KNbO 3 is also thinned on the substrate to improve all the characteristics.
ここで、圧電薄膜としては、そのk2、温度特性を引き出すために最適な方向に配向することが望ましく、リーキー波伝播に伴う損失をなるべく小さくするためには、平坦で緻密なエピタキシャル膜であることが望ましい。ここで、k2〜50%のY−XKNbO3薄膜は、擬立方晶(100)に相当し、k2〜10%の90°Y−XKNbO3薄膜は、擬立方晶(110)に相当する。従って例えば、SrTiO3(100)或いは(110)単結晶基板を用いることで、k2〜50%のY−XKNbO3薄膜、或いはk2〜10%の90°Y−XKNbO3薄膜を得ることができる。 Here, the piezoelectric thin film is preferably oriented in the optimum direction in order to extract its k 2 and temperature characteristics, and is a flat and dense epitaxial film in order to minimize loss due to leaky wave propagation. It is desirable. Here, the k 2 to 50% Y-XKNbO 3 thin film corresponds to pseudo cubic (100), and the k 2 to 10% 90 ° Y-XKNbO 3 thin film corresponds to pseudo cubic (110). . Therefore, for example, by using a SrTiO 3 (100) or (110) single crystal substrate, a K 2 to 50% Y-XKNbO 3 thin film or a k 2 to 10% 90 ° Y-XKNbO 3 thin film can be obtained. it can.
従来の気相法やゾルゲル法といった一般的な薄膜形成方法でKNbO3薄膜を製膜する場合には、Nbに比べてKの飽和蒸気圧が著しく高いために、Nbに比べてKが蒸発しやすく、作製後の薄膜における組成が出発組成と比べてNb過剰側にずれる。この組成ずれを補償するために、あらかじめKを過剰にしたターゲットを用いていた(例えば、非特許文献5参照。)。
しかし、図19に示すK2O−Nb2O5の二元系状態図(例えば、非特許文献6参照。)から明らかなように、KNbO3のK過剰組成側には3K2O・Nb2O5化合物が存在し、KNbO3と3K2O・Nb2O5の共晶温度845℃以下ではKNbO3と3K2O・Nb2O5がともに固相として共存し、KNbO3のNb過剰組成側には2K2O・3Nb2O5化合物が存在し、KNbO3の融点である1039℃以下ではKNbO3と2K2O・3Nb2O5がともに固相として共存する。従って、気相法で製造する場合、レーザーによってアブレーションされた出発原料が基板に到達した時点で厳密にK:Nb=50:50の組成となっていなければ、K過剰側にずれてもNb過剰側にずれても作製された薄膜は異相を含み、単一相は得られないことになる。
When a KNbO 3 thin film is formed by a general thin film formation method such as a conventional vapor phase method or a sol-gel method, the saturated vapor pressure of K is significantly higher than that of Nb, so that K evaporates as compared with Nb. Easily, the composition in the thin film after fabrication shifts to the Nb-excess side compared to the starting composition. In order to compensate for this composition shift, a target with excessive K in advance was used (for example, see Non-Patent Document 5).
However, as is clear from the binary phase diagram of K 2 O—Nb 2 O 5 shown in FIG. 19 (see, for example, Non-Patent Document 6), the K excess composition side of KNbO 3 has 3K 2 O · Nb. 2 O 5 compound is present, coexist as KNbO 3 and 3K 2 O · Nb 2 O KNbO 3 at eutectic temperature 845 ° C. below 5 and 3K 2 O · Nb 2 O 5 are both solid phase, Nb of KNbO 3 There is a 2K 2 O.3Nb 2 O 5 compound on the excess composition side, and KNbO 3 and 2K 2 O.3Nb 2 O 5 coexist as solid phases at a melting point of KNbO 3 of 1039 ° C. or lower. Therefore, in the case of manufacturing by the vapor phase method, if the composition of K: Nb = 50: 50 is not strictly present when the starting material ablated by the laser reaches the substrate, the Nb excess will be exceeded even if it shifts to the K excess side. Even if it is shifted to the side, the produced thin film contains a different phase, and a single phase cannot be obtained.
一方、KNbO3バルク単結晶の場合は、Top Seeded Solution Growth(TSSG)法等によって、K:Nb=50:50よりもわずかにK過剰組成の液相中から種結晶による引き上げによって大型の単結晶が得られている(例えば、非特許文献7参照。)。この場合、図19に示すK2O−Nb2O5二元系状態図において、K2O:Nb2O5=50:50からK2O:Nb2O5=65:35程度までの間の組成を有する出発原料を、KNbO3と3K2O・Nb2O5の共晶温度845℃以上に存在するKNbO3と液相との共存領域に置くことにより得られる。即ち、図20において、組成C1を有する出発原料を液相線温度T1から結晶成長温度T2へ冷却したとき、液相中からKNbO3が析出し、液相はT2を液相線温度とする組成C2までK過剰側にずれる。このときの結晶成長速度はC1−C2が大きいほど速くなるので、KNbO3よりも若干K過剰ではあるがKNbO3に近い組成のものを、なるべくKNbO3と3K2O・Nb2O5の共晶温度845℃付近まで冷却する。ただし、以上の挙動は、大気中においてのものであり、しかも大量の液相中からKNbO3バルク単結晶を成長させる場合においてのものである。 On the other hand, in the case of a KNbO 3 bulk single crystal, a large single crystal is obtained by pulling up with a seed crystal from a liquid phase having a slightly K excess composition than K: Nb = 50: 50 by the Top Seed Solution Growth (TSSG) method or the like. (For example, refer nonpatent literature 7.). In this case, in the K 2 O—Nb 2 O 5 binary phase diagram shown in FIG. 19, K 2 O: Nb 2 O 5 = 50: 50 to K 2 O: Nb 2 O 5 = 65: 35 or so. It is obtained by placing a starting material having an intermediate composition in the coexistence region of KNbO 3 and a liquid phase existing at a eutectic temperature of 845 ° C. or higher between KNbO 3 and 3K 2 O · Nb 2 O 5 . That is, in FIG. 20, when the starting material having the composition C 1 is cooled from the liquidus temperature T 1 to the crystal growth temperature T 2 , KNbO 3 is precipitated from the liquid phase, and the liquid phase shows T 2 as the liquidus. It shifts to the K-excess side up to the composition C 2 which is the temperature. Since the crystal growth rate at this time becomes faster as C 1 -C 2 is larger, KNbO 3 and 3K 2 O · Nb 2 O 5 having a composition close to KNbO 3 but slightly K-excess than KNbO 3 are used as much as possible. The eutectic temperature is cooled to around 845 ° C. However, the above behavior is in the atmosphere, and is also in the case where a KNbO 3 bulk single crystal is grown from a large amount of liquid phase.
一方、TSSG法により大気中で液相中から単結晶を析出させる結晶成長プロセスを、減圧下の気相法による薄膜作製プロセスに適用する方法が開発されてきている。Tri−Phase−Epitaxy法は、このような方法の一つであり、気相原料を固液共存領域の温度に保持した基板に堆積し、液相中から固相を析出させるもので、NdBa2Cu3Ox材料において単結晶薄膜成長後に液相BaCuO2・CuOの残渣だけを選択的にエッチングして単結晶薄膜を得る適用例が報告されている(例えば、非特許文献8参照。)。
しかしながら、上記従来のTri−Phase−Epitaxy法をKNbO3単結晶薄膜の製造方法にそのまま適用しても、KNbO3単結晶薄膜成長後に液相3K2O・Nb2O5の残渣だけを選択的にエッチングすることは不可能であった。そのため、単結晶表面に液相が残存して表面モフォロジーに優れた薄膜が得られなかった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、各種単結晶基板上で表面モフォロジーに優れかつ単相の高品質なKNbO3単結晶薄膜を製造する方法と、この方法で得られた薄膜を備えることによって、k2が高く広帯域化、小型化、及び省電力化に優れる表面弾性波素子、周波数フィルタ、周波数発振器、電子回路、及び電子機器を提供することを目的とする。
However, only the selective residue above be directly applied to conventional Tri-Phase-Epitaxy method KNbO 3 method for producing a single crystal thin film, KNbO 3 liquid phase 3K after a single crystal thin film growth 2 O · Nb 2 O 5 It was impossible to etch. Therefore, a liquid phase remains on the surface of the single crystal and a thin film having excellent surface morphology cannot be obtained.
The present invention has been made in view of the above circumstances, a method for producing a single-phase high-quality KNbO 3 single crystal thin film having excellent surface morphology on various single crystal substrates, and the thin film obtained by this method. It is an object of the present invention to provide a surface acoustic wave device, a frequency filter, a frequency oscillator, an electronic circuit, and an electronic device that have a high k 2 and are excellent in wideband, downsizing, and power saving.
本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用する。
本発明に係るニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法は、気相法によるニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法であって、所定の酸素分圧におけるニオブ酸カリウムと3K2O・Nb2O5との共晶点Eにおける温度及びモル組成比をTE、xEとするとき(xは、KxNb1−xOyで表現されるときのカリウム(K)とニオブ(Nb)とのモル比)、基板上に堆積させた直後の前記xが、0.5≦x≦xEの範囲となるように気相状態の原料を前記基板に供給し、前記酸素分圧及び前記xにおける完全溶融温度をTmとするとき、前記基板の温度TsをTE≦Ts≦Tmの範囲に保持して、ニオブ酸カリウム単結晶を析出させる析出工程と、固相部と液相部とが共存する前記KxNb1−xOyから液相部を蒸発させる蒸発工程とを備えていることを特徴とする。
また、本発明は、前記蒸発工程と前記析出工程とを繰り返してニオブ酸カリウム単一相単結晶薄膜を連続して成長させることが好ましい。
この方法によれば、基板上に堆積させた固相部と液相部とが共存するKxNb1−xOyからニオブ酸カリウム単結晶を析出させた後に、組成のずれを有する残液を蒸発させるので、組成のずれが抑えられた単一層のニオブ酸カリウム単結晶を析出させることができる。これにより、表面モフォロジーに優れたニオブ酸カリウム単結晶薄膜を得ることができ、そして、このようなニオブ酸カリウム単結晶薄膜を用いることによって、k2に優れた表面弾性波素子を作製することができる。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The method for producing a potassium niobate single crystal thin film according to the present invention is a method for producing a potassium niobate single crystal thin film by a vapor phase method, and potassium niobate and 3K 2 O · Nb 2 O 5 at a predetermined oxygen partial pressure. And the temperature and molar composition ratio at the eutectic point E with T E and x E (where x is the relationship between potassium (K) and niobium (Nb) when expressed by K x Nb 1-x O y The raw material in a vapor phase is supplied to the substrate such that x immediately after being deposited on the substrate is in the range of 0.5 ≦ x ≦ x E , and the oxygen partial pressure and the x When the complete melting temperature is T m , a precipitation step for precipitating potassium niobate single crystal while maintaining the temperature T s of the substrate in a range of T E ≦ T s ≦ T m , a solid phase portion and a liquid phase evaporated liquid phase portion from the K x Nb 1-x O y where parts and coexist Characterized in that it comprises a vaporization step.
Further, in the present invention, it is preferable that the potassium niobate single phase single crystal thin film is continuously grown by repeating the evaporation step and the precipitation step.
According to this method, after depositing a potassium niobate single crystal from K x Nb 1-x O y in which a solid phase portion and a liquid phase portion deposited on a substrate coexist, a residual liquid having a composition deviation As a result, the single-layer potassium niobate single crystal with suppressed compositional deviation can be deposited. Thereby, a potassium niobate single crystal thin film having excellent surface morphology can be obtained, and by using such a potassium niobate single crystal thin film, a surface acoustic wave device excellent in k 2 can be produced. it can.
本発明は、前記基板として、該基板表面の垂直及び面内方向ともに配向した結晶軸を表面に有するものを用い、前記基板上に、前記単結晶をエピタキシャル成長させることが好ましい。
この方法によれば、基板を種結晶として薄膜全体にわたって配向方向がそろったニオブ酸カリウム単結晶薄膜を得ることができ、従って、このニオブ酸カリウム単結晶薄膜からk2に優れた表面弾性波素子を作製することができる。
In the present invention, it is preferable that the substrate has a crystal axis oriented on both the vertical and in-plane directions of the substrate surface, and the single crystal is epitaxially grown on the substrate.
According to this method, it is possible to obtain a potassium niobate single crystal thin film having a uniform orientation throughout the entire thin film using the substrate as a seed crystal. Accordingly, the surface acoustic wave device excellent in k 2 can be obtained from this potassium niobate single crystal thin film. Can be produced.
本発明は、前記基板として、ニオブ酸カリウムより大きい熱膨張率を有し、かつ、ペロブスカイト構造擬立方晶単位格子が(100)配向で前記基板表面全体に面内配向しているものを用いることが好ましい。
また、前記基板として、チタン酸ストロンチウム(100)単結晶基板を用いることが好ましい。
この方法によれば、基板上にニオブ酸カリウム単結晶を斜方晶(110)配向で析出させることができる。また、汎用的なペロブスカイト型酸化物単結晶基板であるチタン酸ストロンチウム(100)単結晶基板を用いて、良好な表面モフォロジーを有するニオブ酸カリウム単結晶薄膜を得ることができ、さらに、k2が最大約30%と優れた表面弾性波素子を作製することができる。
The present invention uses a substrate having a thermal expansion coefficient larger than that of potassium niobate and having a perovskite structure pseudo-cubic unit cell with (100) orientation and in-plane orientation over the entire substrate surface. Is preferred.
Moreover, it is preferable to use a strontium titanate (100) single crystal substrate as the substrate.
According to this method, a potassium niobate single crystal can be deposited with orthorhombic (110) orientation on the substrate. Further, using a general-purpose perovskite oxide strontium titanate is single crystal substrate (100) single crystal substrate, it is possible to obtain a potassium niobate single crystal thin film having good surface morphology, furthermore, k 2 is An excellent surface acoustic wave device of up to about 30% can be produced.
本発明では、前記基板として、ニオブ酸カリウムより小さい熱膨張率を有し、かつ、ペロブスカイト構造擬立方晶単位格子が(100)配向で前記基板表面全体に面内配向しているものを用いることを特徴とする。
また、前記基板として、シリコン単結晶基板と、前記シリコン単結晶基板上にエピタキシャル成長させたバッファ層とから構成されるものを用いることが好ましい。
この方法によれば、基板上にエピタキシャル成長したニオブ酸カリウム単結晶を斜方晶(001)配向で析出させることができ、また、安価な単結晶基板であるシリコン単結晶基板上に得られたニオブ酸カリウム単結晶薄膜から、k2が最大約50%と優れた表面弾性波素子を作製することができる。
In the present invention, a substrate having a thermal expansion coefficient smaller than that of potassium niobate and having a perovskite structure pseudo-cubic unit cell with (100) orientation and in-plane orientation over the whole substrate surface is used. It is characterized by.
Further, it is preferable to use a substrate composed of a silicon single crystal substrate and a buffer layer epitaxially grown on the silicon single crystal substrate.
According to this method, the potassium niobate single crystal epitaxially grown on the substrate can be precipitated in an orthorhombic (001) orientation, and niobium obtained on a silicon single crystal substrate which is an inexpensive single crystal substrate. from potassium single crystal thin film, k 2 can be manufactured up to about 50% and excellent surface acoustic wave device.
本発明では、前記バッファ層として、NaCl型酸化物で構成される第1バッファ層と、該第1バッファ層の上にエピタキシャル成長させた単純ペロブスカイト型酸化物で構成される第2バッファ層とを作製することを特徴とする。
また、前記バッファ層として、フルオライト型酸化物で構成される第1バッファ層と、該第1バッファ層の上にエピタキシャル成長させた層状ペロブスカイト型酸化物と該層状ペロブスカイト型酸化物上にエピタキシャル成長させた単純ペロブスカイト型酸化物とから構成される第2バッファ層とを作製することを特徴とする。
この方法によれば、シリコン単結晶とニオブ酸カリウム単結晶との間に、双方に好適なバッファ層が形成されるので、安価な単結晶基板であるシリコン単結晶基板上でもニオブ酸カリウム単結晶を製膜することができ、このニオブ酸カリウム単結晶薄膜からk2の理論値約50%により近い値の優れた表面弾性波素子を得ることができる。
In the present invention, as the buffer layer, a first buffer layer made of NaCl type oxide and a second buffer layer made of simple perovskite type oxide epitaxially grown on the first buffer layer are produced. It is characterized by doing.
Further, as the buffer layer, a first buffer layer made of a fluorite oxide, a layered perovskite oxide epitaxially grown on the first buffer layer, and an epitaxial growth on the layered perovskite oxide A second buffer layer composed of a simple perovskite oxide is manufactured.
According to this method, since a suitable buffer layer is formed between the silicon single crystal and the potassium niobate single crystal, the potassium niobate single crystal is formed even on the silicon single crystal substrate which is an inexpensive single crystal substrate. the can be a film, it is possible to obtain an excellent surface acoustic wave device of close values from the potassium niobate single crystal thin film by theory about 50% of k 2.
本発明では、前記基板として、石英、水晶、SiO2被覆シリコン、ダイヤモンド被覆シリコンの何れかの材料で構成される基板本体と、該基板本体上に形成されたバッファ層とから構成されるものを用い、該バッファ層として、前記基板上に該基板面の結晶方位とは無関係に面内配向成長させた第1バッファ層と、該第1バッファ層上にエピタキシャル成長させた酸化物からなる第2バッファ層とを、イオンビーム照射を伴う気相法によって作製することを特徴とする。
この方法によれば、表面弾性波素子に好適で安価な石英、水晶、SiO2被覆シリコン、ダイヤモンド被覆シリコンなどの材料からなる基板上にも、高品質なニオブ酸カリウム単結晶薄膜を製膜することができ、このニオブ酸カリウム単結晶薄膜から、k2が最大約50%と優れた表面弾性波素子を得ることができる。
In the present invention, the substrate is composed of a substrate body made of any material of quartz, quartz, SiO 2 coated silicon, and diamond coated silicon, and a buffer layer formed on the substrate body. The buffer layer used is a first buffer layer grown in-plane on the substrate regardless of the crystal orientation of the substrate surface, and a second buffer made of oxide epitaxially grown on the first buffer layer. The layer is manufactured by a vapor phase method involving ion beam irradiation.
According to this method, a high-quality potassium niobate single crystal thin film is formed on a substrate made of a material such as quartz, quartz, SiO 2 -coated silicon, or diamond-coated silicon that is suitable for a surface acoustic wave device and inexpensive. it can be from the potassium niobate single crystal thin film, k 2 can be obtained up to about 50% and excellent surface acoustic wave device.
本発明では、前記第1バッファ層をNaCl型酸化物で作製し、前記第2バッファ層を単純ペロブスカイト型酸化物で作製することを特徴とする。
また、前記第1バッファ層をフルオライト型酸化物で作製し、前記第2バッファ層を、層状ペロブスカイト型酸化物と該層状ペロブスカイト型酸化物上にエピタキシャル成長させた単純ペロブスカイト型酸化物とで作製することを特徴とする。
この方法によれば、安価な石英、水晶、SiO2被覆シリコン、ダイヤモンド被覆シリコン等の任意の材料の基板上に、高品質なニオブ酸カリウム単結晶薄膜を製膜することができ、このニオブ酸カリウム単結晶薄膜から、k2の理論値約50%により近い値の優れた表面弾性波素子を得ることができる。
The present invention is characterized in that the first buffer layer is made of a NaCl type oxide and the second buffer layer is made of a simple perovskite type oxide.
The first buffer layer is made of a fluorite oxide, and the second buffer layer is made of a layered perovskite oxide and a simple perovskite oxide epitaxially grown on the layered perovskite oxide. It is characterized by that.
According to this method, a high-quality potassium niobate single crystal thin film can be formed on a substrate of any material such as inexpensive quartz, quartz, SiO 2 -coated silicon, diamond-coated silicon, etc. An excellent surface acoustic wave device having a value closer to the theoretical value of k 2 of about 50% can be obtained from the potassium single crystal thin film.
本発明の表面弾性波素子は、本発明に係る製造方法によって製造するニオブ酸カリウム単結晶薄膜を備えていることを特徴とする。
この表面弾性波素子によれば、大きなk2を有するニオブ酸カリウム単結晶薄膜を備えているので、表面弾性波素子の小型化を図ることができる。
The surface acoustic wave device of the present invention includes a potassium niobate single crystal thin film manufactured by the manufacturing method according to the present invention.
According to the surface acoustic wave device, since the potassium niobate single crystal thin film having a large k 2 is provided, the surface acoustic wave device can be downsized.
本発明の周波数フィルタは、本発明に係る表面弾性波素子を備えていることを特徴とする。
また、本発明の周波数発振器は、本発明に係る表面弾性波素子を備えることを特徴とする。
この周波数フィルタ及び周波数発振器によれば、小型であるとともに、フィルタ特性の広帯域化を実現することができる。
The frequency filter of the present invention includes the surface acoustic wave device according to the present invention.
A frequency oscillator according to the present invention includes the surface acoustic wave device according to the present invention.
According to this frequency filter and frequency oscillator, it is possible to realize a small filter and a wide band of filter characteristics.
本発明の電子回路は、本発明に係る周波数発振器を備えていることを特徴とする。
この周波数発振器によれば、広帯域のフィルタ特性を有し、小型であるとともに、省電力化に対応することができる。
また、本発明の電子機器は、本発明に係る周波数フィルタ、周波数発振器、電子回路のうち少なくとも1つを備えていることを特徴とする。
この電子機器によれば、小型化、広帯域化、省電力化を向上することができる。
An electronic circuit according to the present invention includes the frequency oscillator according to the present invention.
This frequency oscillator has a wide band filter characteristic, is small in size, and can cope with power saving.
An electronic apparatus according to the present invention includes at least one of the frequency filter, the frequency oscillator, and the electronic circuit according to the present invention.
According to this electronic device, it is possible to improve the miniaturization, the broadband, and the power saving.
次に、本発明の第1の実施形態について、図1から図6を参照して説明する。
本実施形態に係るKNbO3単結晶薄膜10は、図1(d)に示すように、基板11と、この基板11上に斜方晶(001)配向または斜方晶(110)配向でエピタキシャル成長したKNbO3単結晶層12とを備えている。
基板11は、表面に垂直方向に(100)配向及び面内に(001)配向の結晶軸を有しているSrTiO3単結晶基板13と、このSrTiO3単結晶基板13上にエピタキシャル成長したK、Nb、Sr、Ti、Oの何れかからなる初期層14とから構成されている。
SrTiO3単結晶基板13は、その熱膨張率が11.1×10−6(K−1)であり、KNbO3単結晶層12のc軸の熱膨張率14.1×10−6(K−1)よりは小さいものの、a、b軸の熱膨張率5.0×10−6(K−1)、0.5×10−6(K−1)よりも大きいものとなっている。
初期層14は、SrTiO3からKNbO3へ構造が移行するための界面層であり、構造および組成は限定されないがSrTiO3単結晶基板13上にエピタキシャル成長していればよい。
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1D, the KNbO 3 single crystal
The
The thermal expansion coefficient of the SrTiO 3
The
このKNbO3単結晶層12は、イオンビーム照射を伴う気相法によって製膜される。本実施形態では、パルス・レーザー蒸着(Pulsed Laser Deposition :PLD)法にて薄膜を作製する。この成膜時に使用する成膜装置15は、図2に示すように、内部を減圧可能なプロセスチャンバ16と、SrTiO3単結晶基板13に対向して配設された成膜母材17と、成膜母材17を載置して自公転可能とした母材支持部18と、SrTiO3単結晶基板13を保持する保持部19とを備えている。
また、成膜装置15は、反射高速電子線回折(Reflection High Energy Electron Diffraction、RHEEDと略称する)法で薄膜20を分析する際に用いるRHEED源21と、RHEED源21からSrTiO3単結晶基板13上に堆積した薄膜20に入射されて反射されたビームを検知するRHEEDスクリーン22とを備えている。
The KNbO 3
The
PLD法とは、基板の上に薄膜を形成している間は、プロセスチャンバ16の内部空間を非常に低い圧力とした酸素雰囲気、例えばおよそ大気圧の千分の一程度とした圧力下において、自転している成膜母材17にArF又はKrFエキシマ・レーザー・ビーム23をパルス的に照射し、この照射によって成膜母材17を構成している成分をプラズマプルーム(プラズマや分子状態)24としてSrTiO3単結晶基板13まで飛翔させて被成膜面上に薄膜20を堆積させる成膜法である。
In the PLD method, while a thin film is formed on a substrate, an oxygen atmosphere in which the internal space of the
次に、本実施形態に係るKNbO3単結晶薄膜10の製造方法について説明する。
この製造方法は、所定の酸素分圧におけるKNbO3と3K2O・Nb2O5との共晶点Eにおける温度及びモル組成比をTE、xEとするとき(xは、KxNb1−xOyで表現されるときのカリウム(K)とニオブ(Nb)とのモル組成比)、基板11上に堆積させた直後の液相状態の組成xが、0.5≦x≦xEの範囲となる気相状態の原料であるプラズマプルーム24を基板11に供給し、また、この酸素分圧及びこのxにおける完全溶融温度をTmとするとき、基板11の温度TsをTE≦Ts≦Tmの範囲に保持して、プラズマプルーム24から基板11上に堆積させたKxNb1−xOyの残液を蒸発させる蒸発工程と、KxNb1−xOyからKNbO3単結晶を基板11上に析出させる析出工程とを備えている。
以下、製造方法を順に説明する。
Next, a method for manufacturing the KNbO 3 single crystal
In this manufacturing method, when the temperature and molar composition ratio at the eutectic point E of KNbO 3 and 3K 2 O · Nb 2 O 5 at a predetermined oxygen partial pressure are T E and x E (x is K x Nb The molar composition ratio of potassium (K) and niobium (Nb) expressed by 1-x O y ), and the composition x in the liquid phase immediately after being deposited on the
Hereinafter, a manufacturing method is demonstrated in order.
まず、蒸発工程の前に、SrTiO3単結晶基板13上にKxNb1−xOyを供給して堆積させる工程について説明する。
始めに、SrTiO3単結晶基板13を有機溶媒に浸漬し超音波洗浄機を用いて脱脂洗浄を行う。有機溶媒としては、例えばエチルアルコールとアセトンが1:1で混合された混合液を使用することができるが、これに限るものではない。
First, prior to the evaporation step, steps of depositing by supplying K x Nb 1-x O y on the SrTiO 3
First, the SrTiO 3
脱脂洗浄したSrTiO3単結晶基板13に、まず、初期層14を形成する。
SrTiO3単結晶基板13を保持部19に装填した後、プロセスチャンバ16内へ導入して、真空度が、1.33×10−6Pa(1×10−8Torr)まで減圧する。続いて、1.33Pa(1×10−2Torr)の酸素分圧になるように酸素ガスを導入し、図示しない赤外線ランプを用いて20℃/分で500℃まで加熱昇温する。このときのSrTiO3<010>方向からのRHEEDパターンには、図3(a)に示すようにストリーク状の回析パターンが観測される。
なお、昇温速度、基板温度、圧力などの条件は、これに限るものではない。
First, the
After the SrTiO 3
In addition, conditions, such as a temperature increase rate, a substrate temperature, and a pressure, are not restricted to this.
圧力が一定となった後、KxNb1−xOyで表現されるときのカリウム(K)とニオブ(Nb)とのモル比xが、0.5≦x≦xEの範囲である0.6となるK0.6Nb0.4Oyの成膜母材17aを、SrTiO3単結晶基板13に対向し互いの距離が30mm以上50mm以下となるように配設する。そして、基板温度が500℃以上850℃以下、堆積時の酸素分圧が1.33×10−1Pa(1×10−3Torr)以上13.3Pa(1×10−1Torr)以下の条件で、成膜母材17a表面にレーザーエネルギー密度が2J/cm2以上3J/cm2以下、及びレーザー周波数が1Hz以下となるエキシマ・レーザー・ビーム23を照射する。
After the pressure becomes constant, the molar ratio x between potassium (K) and niobium (Nb) as expressed by K x Nb 1-x O y is in the range of 0.5 ≦ x ≦ x E. A K 0.6 Nb 0.4 O y film-forming
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を入射する。そして、成膜母材17aの表面に、K、Nb、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17aから40mm離れた位置に配設されたSrTiO3単結晶基板13に、基板温度500℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件で2分間照射して、図1(a)に示すようにK0.6Nb0.4Oy層25を2nm堆積する。
なお、プラズマプルーム24が、十分SrTiO3単結晶基板13に到達でき、初期層14としてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記に限られるものではない。
Here, the pulsed light of the KrF
The conditions are not limited to the above as long as the
上記酸素分圧におけるKNbO3と3K2O・Nb2O5との共晶点Eは750℃〜800℃にあるため、この段階では、K0.6Nb0.4Oy層25はエピタキシャル成長していない。このときのSrTiO3<010>方向からのRHEEDパターンには、図3(b)に示すように回析パターンが消えた状態が観測される。そこで、上記酸素分圧及び組成における完全溶融温度の850℃まで、図示しない赤外線ランプを用いて20℃/分で昇温加熱する。
すると、750℃〜800℃で、RHEEDパターンとして図3(c)に示すようなスポットパターンが現れる。
800℃以上では、K0.6Nb0.4OyがKNbO3の固液相の共存状態から液相のほとんどが蒸発していき、残ったKNbO3がSrTiO3単結晶基板13と反応する。こうして図1(b)に示すように、K、Nb、Sr、Ti、Oの何れかからなる初期層14をエピタキシャル成長させる。
Since the eutectic point E of KNbO 3 and 3K 2 O.Nb 2 O 5 at the oxygen partial pressure is 750 ° C. to 800 ° C., the K 0.6 Nb 0.4 O y layer 25 is epitaxially grown at this stage. Not done. In the RHEED pattern from the SrTiO 3 <010> direction at this time, it is observed that the diffraction pattern disappears as shown in FIG. Therefore, the temperature is raised to 20 ° C./min using an infrared lamp (not shown) up to the complete melting temperature of 850 ° C. in the oxygen partial pressure and composition.
Then, a spot pattern as shown in FIG. 3C appears as an RHEED pattern at 750 ° C. to 800 ° C.
Above 800 ° C., K 0.6 Nb 0.4 O y almost evaporates from the coexisting state of the solid-liquid phase of KNbO 3 , and the remaining KNbO 3 reacts with the SrTiO 3
次に、蒸発工程及び析出工程について説明する。
基板温度を750℃以上850℃以下、堆積時の酸素分圧が1.33×10−1Pa(1×10−3Torr)以上13.3Pa(1×10−1Torr)以下の条件下で、K0.6Nb0.4Oyの成膜母材17a表面にレーザーエネルギー密度が2J/cm2以上3J/cm2以下、及びレーザー周波数が5Hz以下となるエキシマ・レーザー・ビーム23を照射する。
Next, the evaporation step and the precipitation step will be described.
The substrate temperature is 750 ° C. or more and 850 ° C. or less, and the oxygen partial pressure during deposition is 1.33 × 10 −1 Pa (1 × 10 −3 Torr) or more and 13.3 Pa (1 × 10 −1 Torr) or less. ,
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を入射する。そして、成膜母材17aの表面にK、Nb、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17aから40mm離れた位置に配設され、基板温度800℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件下にあるSrTiO3単結晶基板13に60分間照射して、図1(c)に示すようにK0.6Nb0.4Oy層25aを200nm堆積する。堆積直後のK0.6Nb0.4Oy層25a中には、固相部26と液相部27とが共存している。
Here, the pulsed light of the KrF
ここで、KrFエキシマ・レーザー・ビーム23がパルス光なので、プラズマプルーム24をSrTiO3単結晶基板13に間欠的に供給させることになる。
このパルス供給の間に、初期層14を結晶成長の核として、図1(d)に示すように、固相部26からKNbO3単結晶層12が析出し、残った液相部27が蒸発する。
こうして、KNbO3単結晶層12を200nmエピタキシャル成長させる。
得られたKNbO3単結晶層12を観察すると、図3(d)に示す回析パターン及び図4に示す平滑な表面状態を確認できる。
この結果と図5に示すX線回析結果とから、KNbO3、SrTiO3をそれぞれ斜方晶、立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向にKNbO3(110)/SrTiO3(100)、面内方向にKNbO3<001>//SrTiO3<001>の方位関係を有するKNbO3単結晶薄膜10が得られることを確認できる。
ここで、KNbO3が斜方晶(110)配向となるのは、降温過程において熱膨張率の比較的大きなSrTiO3単結晶基板13から圧縮応力を受け、a、b、c、3つの軸のうち一番熱膨張率の大きなc軸が基板面内に配向するためである。
なお、プラズマプルーム24が、十分SrTiO3単結晶基板13に到達でき、かつ液相部27が残留しないように堆積速度と液相部27との蒸発量バランスが取れるならば、各条件は上記に限られるものではない。
また、上述した析出工程において、成膜母材17aをx=0.6のK0.6Nb0.4Oyとしたが、当該酸素分圧下で0.5≦x≦xEの範囲内であれば、同様のKNbO3単結晶薄膜を得ることができる。
Here, since the KrF
During this pulse supply, the KNbO 3
Thus, the KNbO 3
When the obtained KNbO 3
From this result and the X-ray diffraction result shown in FIG. 5, when KNbO 3 and SrTiO 3 are indicated by orthorhombic and cubic indices, respectively, KNbO 3 (110) / SrTiO 3 (100) is perpendicular to the film surface. It can be confirmed that the KNbO 3 single crystal
Here, KNbO 3 is orthorhombic (110) oriented because it receives a compressive stress from the SrTiO 3
If the
In the above-described deposition step, the film forming
次に、本実施形態に係る表面弾性波素子28について説明する。
この表面弾性波素子28は、図6に示すように、上述したKNbO3単結晶薄膜10を備える。
以下、表面弾性波素子28の製造方法について説明する。
まず、金属アルミニウム(Al)を用いた真空蒸着により、基板温度45℃、真空度6.65×10−5Pa(5×10−7Torr)の条件で、KNbO3単結晶薄膜10上に一対のAl電極29a、29bを堆積する。
なお、基板温度、真空度はこれに限るものではない。
次に、Al電極29a、29bに対して、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターンニングプロセスの連続プロセスを行い、一対のIDT30a、30bを形成する。
こうして、表面弾性波素子28を製造する。
Next, the surface
As shown in FIG. 6, the surface
Hereinafter, a method for manufacturing the surface
First, a pair of KNbO 3 single crystal
The substrate temperature and the degree of vacuum are not limited to these.
Next, a continuous process of a patterning process by resist application, exposure, dry etching, and resist removal is performed on the
In this way, the surface
得られた表面弾性波素子28において、IDT30a、30b間を伝播する表面弾性波の遅延時間Vopenから求めた音速は4000m/sであった。また、IDT30a、30b間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Vshortとの差から求めたk2は25%であった。
KNbO3単結晶薄膜を行わなかった場合、音速は4000m/sであっても得られたk2は10%程度であることから、十分大きなk2値を得ることができた。
なお、成膜母材17aとして、ニオブ酸カリウムの代わりにニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムを用いても、K1−xNaxNb1−yTayO3(0≦x≦1、0≦y≦1)なる固溶体薄膜が同様に得られる。
In the surface
When the KNbO 3 single crystal thin film was not used, k 2 obtained was about 10% even when the sound speed was 4000 m / s, and thus a sufficiently large k 2 value could be obtained.
In addition, even if potassium sodium tantalate niobate is used instead of potassium niobate as the film forming
このKNbO3単結晶薄膜の製造方法によれば、汎用的な基板であるペロブスカイト型酸化物単結晶基板のSrTiO3(100)単結晶基板13上にも、組成のずれが抑えられた単一相のKNbO3単結晶を斜方晶(110)配向で析出させることができ、表面モフォロジーに優れるKNbO3単結晶薄膜10を得ることができる。また、このKNbO3単結晶薄膜10から、k2に優れた表面弾性波素子28を作製することができる。
According to this method for manufacturing a single crystal thin film of KNbO 3, a single phase with a suppressed compositional deviation is also provided on the SrTiO 3 (100)
次に、本発明に係る第2の実施形態について、図7から図10を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第2の実施形態が上記第1の実施形態と異なる点は、第1の実施形態のKNbO3単結晶薄膜10は、SrTiO3単結晶基板13と初期層14とからなる基板11上にKNbO3単結晶をエピタキシャル成長させて製造するようにしたのに対して、第2の実施形態では、シリコン(以下、Si)単結晶基板31aとその上にエピタキシャル成長させたバッファ層32とからなる基板31上に、初期層14を介してKNbO3単結晶をエピタキシャル成長させ、KNbO3単結晶薄膜33を製造するようにした点である。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same reference numerals are given to the components described in the above embodiment, and the description thereof is omitted.
The difference from the second embodiment is the first embodiment, KNbO 3 single crystal
このSi単結晶基板31aは、その熱膨張率が3.0×10−6(K−1)であり、KNbO3単結晶層12のb軸の熱膨張率0.5×10−6(K−1)よりは大きいものの、a、c軸の熱膨張率5.0×10−6(K−1)、14.1×10−6(K−1)よりは小さいものとなっている。また基板表面は自然酸化膜で被膜されている。
バッファ層32は、図7に示すように、第1バッファ層34と、第1バッファ層34上にエピタキシャル成長させた第2バッファ層35とから構成されている。
第1バッファ層34は、イットリア安定化ジルコニア(以下、YSZ)からなる第1バッファ層34aと、第1バッファ層34aの上にエピタキシャル成長させたCeO2からなる第1バッファ層34bとから構成されている。
The Si
As shown in FIG. 7, the
The
第1バッファ層34a及び第1バッファ層34bは、金属酸化物で構成される。この金属酸化物としては、NaCl構造又はフルオライト構造の金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、Siよりも熱力学的に酸素と結合しやすい金属を含む、MgO、CaO、SrO、BaO、若しくはこれらを含む固溶体のうち少なくとも1種、又はYSZ、CeO2、ZrO2、若しくはこれらを含む固溶体のうちの少なくとも1種を用いるのが好ましい。ここでは、第1バッファ層34aとして、YSZを立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させ、第1バッファ層34bとして、CeO2を立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させて構成するものとしている。
The
第2バッファ層35は、層状ペロブスカイト型酸化物であるYBa2Cu3Oxを正方晶又は斜方晶(001)配向でエピタキシャル成長させた第2バッファ層35aと、第2バッファ層35aの上に単純ペロブスカイト型酸化物であるSrTiO3を立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させた第2バッファ層35bとから構成されている。
KNbO3単結晶層12は、第2バッファ層35の上にエピタキシャル成長したK、Nb、Sr、Ti、Oの何れかからなる初期層14の上にエピタキシャル成長させた斜方晶(110)又は(001)配向のKNbO3単結晶で構成される。
第1バッファ層34を、MgOのようなNaCl構造の金属酸化物で作製する場合には、第2バッファ層35として、SrTiO3のみを立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させても同様の効果を得ることができる。
The
The KNbO 3
When the
次に、本実施形態に係るKNbO3単結晶薄膜33の製造方法について説明する。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、プラズマプルーム24から基板31上に堆積させたKxNb1−xOyの残液を蒸発させる蒸発工程と、KxNb1−xOyからKNbO3単結晶を基板31上に析出させる析出工程とを備えている。
以下、製造方法を順に説明する。
Next, a method for manufacturing the KNbO 3 single crystal
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, an evaporation step of evaporating the residual liquid of K x Nb 1-x O y deposited on the
Hereinafter, a manufacturing method is demonstrated in order.
Si単結晶基板31aを有機溶媒に浸漬し超音波洗浄機を用いて脱脂洗浄を行う。有機溶媒としては、例えばエチルアルコールとアセトンが1:1で混合された混合液を使用することができるが、これに限るものではない。また、自然酸化膜を残した状態とするため、通常のSi単結晶基板の代表的な洗浄方法であるRCA洗浄や弗酸洗浄といった自然酸化膜を除去する工程を行う必要はない。
The Si
次に、バッファ層32を、PLD法によって図2に示す成膜装置15にて製膜する方法について説明する。
まず、第1バッファ層34aをSi単結晶基板31a上に製膜する。
脱脂洗浄したSi単結晶基板31aを保持部19に装填した後、プロセスチャンバ16内へ導入して、1.33×10−6Pa(1×10−8Torr)まで減圧し、図示しない赤外線ランプを用いて10℃/分で700℃まで加熱昇温する。途中500℃以上の温度領域で、自然酸化膜が一部SiOとして蒸発するために、真空度が1.33×10−4Pa(1×10−6Torr)まで上昇するが、700℃では6.65×10−5Pa(5×10−7Torr)以下の一定値となる。なお、Si単結晶基板31a表面に新たな熱酸化膜を形成しない範囲内であれば、昇温速度、基板温度、圧力等の条件は、これに限るものではない。
この時点では、図8(a)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンに回析パターンが観測されないように、Si単結晶基板31a表面は自然酸化膜に覆われたままの状態になっている。
Next, a method for forming the
First, the
The degreased and cleaned Si
At this time, the surface of the Si
圧力が一定となった後、YSZからなる成膜母材17aを、Si単結晶基板31aに対向し互いの距離が30mm以上50mm以下となるように配設する。そして、基板温度が650℃以上750℃以下、堆積時の酸素分圧が1.33×10−3Pa(1×10−5Torr)以上1.33×10−2Pa(1×10−4Torr)以下の条件で、成膜母材17a表面にレーザーエネルギー密度が2J/cm2以上3J/cm2以下、及びレーザー周波数が5Hz以上15Hz以下となるエキシマ・レーザー・ビーム23を照射する。
このとき、Y、Zrプラズマが選択的に基板に到達でき、基板上の自然酸化膜をSiOとして除去しながらYSZとしてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記の範囲に限らない。
ただし、条件によっては、YSZ第1バッファ層34aが形成されても、Si単結晶基板31aとの界面に酸素が供給されて新しい酸化膜が形成される場合がある。
なお、ZrO2が立方晶として固溶体を形成するのであれば、成膜母材17aのYの代わりにLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mg、Ca、Sr、Baの何れか1つの元素を添加してもよい。
After the pressure becomes constant, the film forming
At this time, each condition is not limited to the above range as long as Y and Zr plasma can selectively reach the substrate and can be epitaxially grown as YSZ while removing the natural oxide film on the substrate as SiO.
However, depending on conditions, even if the YSZ
If ZrO 2 forms a solid solution as a cubic crystal, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Any one element of Tm, Yb, Lu, Mg, Ca, Sr, and Ba may be added.
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を入射する。そして、成膜母材17aの表面にY、Zr、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17aから40mm離れた位置に配設されたSi単結晶基板31aに、基板温度700℃、酸素分圧6.65×10−3Pa(5×10−5Torr)の条件で10分間照射して、図7に示すようにYSZ第1バッファ層34aを5nmエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長は、図8(b)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンにストリーク状の回析パターンが現れていることから確認できる。
Here, the pulsed light of the KrF
続いて、第1バッファ層34bの製膜を行う。
CeO2からなる成膜母材17bがSi単結晶基板31aと対向する位置となるように母材支持部18を回転移動する。この成膜母材17bの表面に、上述と同様にKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を照射する。このときの照射条件はYSZの場合と同様である。
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件とする。
そして、成膜母材17b表面にCe、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17bから40mm離れた位置に配設されたSi単結晶基板31aに、基板温度700℃、酸素分圧6.65×10−3Pa(5×10−5Torr)の条件で10分間照射して、図7に示すようにCeO2第1バッファ層34bを10nmエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長は、図8(c)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンにスポット状の回析パターンが現れていることから確認できる。
CeO2としてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記のものに限るものではない。また、CeO2が立方晶として固溶体を形成するのであれば、Pr又はZrを添加しても同様の効果が得られる。
Subsequently, the first buffer layer 34b is formed.
The base
Here, the laser energy density is 2.5 J / cm 2 , the laser frequency is 10 Hz, and the pulse length is 10 ns.
Then, a
Each condition is not limited to the above as long as it can be epitaxially grown as CeO 2 . Further, if CeO 2 forms a solid solution as cubic crystals, the same effect can be obtained even if Pr or Zr is added.
次に、第2バッファ層35aの製膜を行う。
YBa2Cu3Oxからなる成膜母材17cがSi単結晶基板31aと対向する位置となるように母材支持部18を回転移動する。この成膜母材17cの表面に、上述と同様にKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を照射する。このときの照射条件は、基板温度が550℃以上650℃以下、堆積時の酸素分圧が1.33×10−1Pa(1×10−3Torr)以上13.3Pa(1×10−1Torr)以下であること以外は、YSZの場合と同様である。
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件とする。
そして、成膜母材17cの表面にY、Ba、Cu、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17cから40mm離れた位置に配設されたSi単結晶基板31aに、基板温度600℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件で2分間照射して、図7に示すようにYBa2Cu3Ox第2バッファ層35aを2nmエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長は、図8(d)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンにストリーク状の回析パターンが現れていることから確認できる。
Next, the
The
Here, the laser energy density is 2.5 J / cm 2 , the laser frequency is 10 Hz, and the pulse length is 10 ns.
Then, a
Y、Ba、Cuプラズマが1:2:3の定比で基板に到達でき、YBa2Cu3Oxとしてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記に限るものではない。また、YBa2Cu3Oxの代わりに、M2RuO4(MはCa、Sr,Baの何れか1つの元素を示す。)、RE2NiO4(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの何れか一つの元素を示す。)とNiOの固溶体、REBa2Cu3Ox(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうち何れか一つの元素を示す。)、(Bi、RE)4Ti3O12(RE=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yのうち何れか一つの元素を示す。
)を用いても同様の効果が得られる。
Each condition is not limited to the above as long as Y, Ba, Cu plasma can reach the substrate at a constant ratio of 1: 2: 3 and can be epitaxially grown as YBa 2 Cu 3 O x . Further, instead of YBa 2 Cu 3 O x , M 2 RuO 4 (M represents any one element of Ca, Sr, Ba), RE 2 NiO 4 (RE is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y.) and NiO solid solution, REBa 2 Cu 3 O x (RE is La, Ce) , Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.), (Bi, RE) 4 Ti 3 O 12 (RE = La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y represents any one element.
The same effect can be obtained by using ().
そして、第2バッファ層35bの製膜を行う。
SrTiO3からなる成膜母材17dがSi単結晶基板31aと対向する位置となるように母材支持部18を回転移動する。この成膜母材17dの表面に、KrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を照射する。このときの照射条件は、基板温度が550℃以上650℃以下、堆積時の酸素分圧が1.33×10−1Pa(1×10−3Torr)以上13.3Pa(1×10−1Torr)以下であること以外は、YSZの場合と同様である。
ここでは、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件とする。
そして、成膜母材17dの表面にSr、Ti、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17dから40mm離れた位置に配設されたSi単結晶基板31aに、基板温度600℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件で30分間照射して、図7に示すようにSrTiO3第2バッファ層35bを100nmエピタキシャル成長させる。
エピタキシャル成長は、図8(e)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンにスポット状の回析パターンが現れていることから確認できる。
Then, the
The base
Here, the laser energy density is 2.5 J / cm 2 , the laser frequency is 10 Hz, and the pulse length is 10 ns.
Then, a
Epitaxial growth can be confirmed from the fact that spot-like diffraction patterns appear in the RHEED pattern from the Si <011> direction shown in FIG.
Sr、Tiプラズマが1:1の定比でSi単結晶基板31aに到達でき、SrTiO3としてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記に限るものではない。また、SrTiO3の代わりに、MTiO3(MはCa、Baのうち何れか一つの元素を示す。)、REAlO3(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yのうち何れか一つの元素を示す。)、MAlO3(MはMg、Ca、Sr、Baのうち何れか一つの元素を示す。)、REGaO3(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yのうち何れか一つの元素を示す。)を用いても同様の効果が得られる。
Each condition is not limited to the above as long as Sr, Ti plasma can reach the Si
成膜したバッファ層32の上に、上述した第1の実施形態と同様の方法にて初期層14を成膜する。ただし、第1の実施形態では、始めにK0.6Nb0.4Oy層を500℃で堆積した後に800℃に昇温して初期層14を得たが、ここでは、始めから800℃で堆積しても同様の効果が得られる。
本実施形態では、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を成膜母材17eに入射する。そして、成膜母材17eの表面に、気相状態の原料となるK、Nb、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17eから40mm離れた位置に配設されたSi単結晶基板31aに、基板温度800℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件で5分間照射して、図7に示すようにK0.6Nb0.4Oy層25を5nm堆積する。
なお、プラズマプルーム24が、十分Si単結晶基板31aに到達でき、初期層14としてエピタキシャル成長できるのであれば、各条件は上記に限られるものではない。
The
In the present embodiment, the pulse light of the KrF
Each condition is not limited to the above as long as the
次に、第1実施形態と同様、蒸発工程及び析出工程に移行する。
本実施形態では、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を入射する。そして、成膜母材17eの表面にK、Nb、Oからなるプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17eから40mm離れた位置に配設され、基板温度800℃、酸素分圧1.33Pa(1×10−2Torr)の条件下にあるSi単結晶基板31aに360分間照射して、図7に示すようにK0.6Nb0.4Oy層25aを200nm堆積する。
堆積直後のK0.6Nb0.4Oy層25aに対し、第1の実施形態と同様にKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス供給の間に、初期層14を結晶成長の核として固相部26からKNbO3単結晶層12を析出させ、残った液相部27を蒸発させる。
こうして、KNbO3単結晶層12を200nmエピタキシャル成長させる。
エピタキシャル成長は、図8(f)に示すSi<011>方向からのRHEEDパターンにスポット状の回析パターンが現れていることから確認できる。
Next, as in the first embodiment, the process proceeds to an evaporation step and a precipitation step.
In this embodiment, the pulsed light of the KrF
The K 0.6 Nb 0.4 O y layer 25a immediately after deposition is solidified with the
Thus, the KNbO 3
Epitaxial growth can be confirmed from the fact that spot-like diffraction patterns appear in the RHEED pattern from the Si <011> direction shown in FIG.
こうして、図9に示すX線回析結果と合わせて、KNbO3、SrTiO3、YBa2Cu3Ox、CeO2、YSZ、及びSiをそれぞれ斜方晶、立方晶、正方晶、立方晶、立方晶、及び立方晶で指数表示した場合、膜面に垂直方向にKNbO3(001)/SrTiO3(100)/YBa2Cu3Ox(001)/CeO2(100)/YSZ(100)/Si(100)、面内方向にKNbO3<110>//SrTiO3<010>//YBa2Cu3Ox<100>//CeO2<011>//YSZ<011>//Si<011>の方位関係を有するKNbO3単結晶薄膜33が得られることが確認できる。
ここで、KNbO3が斜方晶(001)配向となるのは、降温過程において熱膨張率の比較的小さなSi単結晶基板31aから引張応力を受け、a、b、c、3つの軸のうち一番熱膨張率の小さなb軸が基板面内に配向するためである。
なお、プラズマプルーム24が、十分Si単結晶基板31aに到達でき、かつ液相部27が残留しないように堆積速度と液相部27との蒸発量バランスが取れるならば、各条件は上記に限られるものではない。
また、上述した析出工程において、成膜母材17eをx=0.6のK0.6Nb0.4Oyとしたが、当該酸素分圧下で0.5≦x≦xEの範囲内であれば、同様のKNbO3単結晶薄膜を得ることができる。
Thus, in combination with the X-ray diffraction results shown in FIG. 9, KNbO 3 , SrTiO 3 , YBa 2 Cu 3 O x , CeO 2 , YSZ, and Si are orthorhombic, cubic, tetragonal, cubic, When the cubic crystal and cubic crystal are indicated by an index, KNbO 3 (001) / SrTiO 3 (100) / YBa 2 Cu 3 O x (001) / CeO 2 (100) / YSZ (100) is perpendicular to the film surface. / Si (100), KNbO 3 <110> // SrTiO 3 <010> // YBa 2 Cu 3 O x <100> // CeO 2 <011> // YSZ <011> // Si < It can be confirmed that a KNbO 3 single crystal
Here, KNbO 3 has an orthorhombic (001) orientation because it receives a tensile stress from the Si
If the
In the above-described deposition step, the film forming
上述したKNbO3単結晶薄膜33上に、第1の実施形態と同様の方法で一対のIDT30a、30bを形成して、図10に示す本実施形態に係る表面弾性波素子36を製造する。
得られた表面弾性波素子36において、IDT30a、30b間を伝播する表面弾性波の遅延時間Vopenから求めた音速は5000m/sであった。また、IDT30a、30b間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Vshortとの差から求めたk2は、KNbO3単結晶薄膜33が(001)配向であるため35%と、第1の実施形態で得られる表面弾性波素子28よりも高い値であった。
なお、成膜母材17aとして、ニオブ酸カリウムの代わりにニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムを用いても、K1−xNaxNb1−yTayO3(0≦x≦1、0≦y≦1)なる固溶体薄膜が同様に得られる。
A pair of
In the surface
In addition, even if potassium sodium tantalate niobate is used instead of potassium niobate as the film forming
このKNbO3単結晶薄膜の製造方法によれば、Si単結晶基板31a上にバッファ層32を形成することによって、安価なSi単結晶基板31aを使用してKNbO3単結晶を析出して、KNbO3単結晶薄膜33を得ることができる。
また、KNbO3単結晶を斜方晶(001)配向で析出させるので、このKNbO3単結晶薄膜33から、k2が最大約50%と優れた表面弾性波素子36を作製することができる。
According to this method of manufacturing a KNbO 3 single crystal thin film, by forming the
Further, since the KNbO 3 single crystal is precipitated in the orthorhombic (001) orientation, the surface
次に、本発明に係る第3の実施形態について、図11及び図12を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第3の実施形態が上記第2の実施形態と異なる点は、第2の実施形態では、Si単結晶基板31a上にバッファ層32を作製し、KNbO3単結晶をエピタキシャル成長させるようにしたのに対して、第3の実施形態では、水晶基板(基板本体)40上にバッファ層32を作製した上にKNbO3単結晶をエピタキシャル成長させるようにした点である。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same reference numerals are given to the components described in the above embodiment, and the description thereof is omitted.
The third embodiment differs from the second embodiment in that in the second embodiment, the
本実施形態に係るKNbO3単結晶薄膜41は、図11に示すように、基板42と、その上にエピタキシャル成長させたKNbO3単結晶層12とから構成されている。
基板42は、水晶基板40と、この水晶基板40上に形成されたバッファ層32とから構成されている。
水晶基板40の構成材料は、水晶以外の石英、SiO2被覆シリコン、ダイヤモンド被覆シリコンの何れかの材料であってもよく、多結晶YSZ基板のようなセラミックスや、ガラス基板のようなアモルファスであってもよい。また、ペロブスカイト型酸化物がエピタキシャル成長できないような結晶構造を有していても良い。ここでは、汎用的であり、表面弾性波素子用基板として重要な水晶としている。水晶基板40は、その熱膨張率が0.5×10−6(K−1)であり、KNbO3単結晶層12のb軸の熱膨張率0.5×10−6(K−1)と同程度であるものの、a、c軸の熱膨張率5.0×10−6(K−1)、14.1×10−6(K−1)よりは小さいものとなっている。
As shown in FIG. 11, the KNbO 3 single crystal
The
The constituent material of the
バッファ層32は、第1バッファ層34と、この第1バッファ層34上に立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させた単純ペロブスカイト型酸化物であるSrTiO3からなる第2バッファ層35とから構成されている。
第1バッファ層34は、金属酸化物で構成される。この金属酸化物としては、NaCl構造又はフルオライト構造の金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、Siよりも熱力学的に酸素と結合しやすい金属を含む、MgO、CaO、SrO、BaO、若しくはこれらを含む固溶体のうち少なくとも1種、又はYSZ、CeO2、ZrO2、若しくはこれらを含む固溶体のうちの少なくとも1種を用いるのが好ましい。さらに面内配向方向は、基板面の結晶方位とは無関係であって構わない。
The
The
本実施形態の第1バッファ層34は、NaCl型酸化物であり立方晶(100)で面内配向成長したMgOで構成されている。
なお、第1バッファ層34にYSZ或いはYSZ/CeO2のようなフルオライト型酸化物を用いる場合には、以下に示す構造のものをエピタキシャル成長させて使用する。
すなわち、第2バッファ層35として、YBa2Cu3Oxなどの層状ペロブスカイト構造の金属酸化物を、正方晶又は斜方晶(001)配向でエピタキシャル成長させ、さらにその上に、SrTiO3を立方晶(100)配向でエピタキシャル成長させた構成とする。
KNbO3単結晶層12は、KNbO3単結晶が、斜方晶(110)又は(001)配向で構成されている。
The
When a fluorite type oxide such as YSZ or YSZ / CeO 2 is used for the
That is, as the
The KNbO 3
次に、上述したKNbO3単結晶薄膜41の製造方法について、以下、工程を追って説明する。
本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、プラズマプルーム24から基板42上に堆積させたKxNb1−xOyの残液を蒸発させる蒸発工程と、KxNb1−xOyからKNbO3単結晶を基板42上に析出させる析出工程とを備えている。
以下、製造方法を順に説明する。
まず、水晶基板40を有機溶媒に浸漬し超音波洗浄機を用いて脱脂洗浄を行う。有機溶媒としては、例えばエチルアルコールとアセトンが1:1で混合された混合液を使用することができるが、これに限るものではない。
Next, the manufacturing method of the above-described KNbO 3 single crystal
Also in the present embodiment, as in the above-described embodiment, an evaporation process for evaporating the residual liquid of K x Nb 1-x O y deposited on the
Hereinafter, a manufacturing method is demonstrated in order.
First, the
続いて、水晶基板40上にバッファ層32を図2に示す成膜装置15にて製膜する。
まず、第1バッファ層32を水晶基板40上に製膜する。
脱脂洗浄した水晶基板40を保持部19に装填した後、プロセスチャンバ16内へ導入し、アルゴン:酸素=100:1の分圧比で1.33×10−2Pa(1×10−4Torr)の圧力となるよう混合ガスを導入する。
なお、圧力条件は、これに限るものではない。
Subsequently, the
First, the
The degreased and washed
The pressure condition is not limited to this.
圧力が一定となった後、Mg又はMgOからなる成膜母材17aを水晶基板40に対向し互いの距離が30mm以上50mm以下となるように配設する。そして、堆積時の圧力が1.33×10−3Pa(1×10−5Torr)以上1.33×10−2Pa(1×10−4Torr)以下の条件で、成膜母材17aの表面に、レーザーエネルギー密度が2J/cm2以上3J/cm2以下、レーザー周波数が5Hz以上15Hz以下となるエキシマレーザーを照射する。
なお、MgOとして面内配向成長できるのであれば、各条件はこれに限るものではない。
After the pressure becomes constant, the film forming
Note that each condition is not limited to this as long as in-plane orientation growth is possible as MgO.
ここでは、Mgの成膜母材17aに、レーザーエネルギー密度2.5J/cm2、レーザー周波数10Hz、パルス長10nsの条件でKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス光を入射する。そして、成膜母材17aの表面にMgのプラズマプルーム24を発生させる。このプラズマプルーム24を成膜母材17aから40mm離れた位置に配設された水晶基板40に、圧力1.33×10−2Pa(1×10−4Torr)の条件で10分間照射して、図11に示すようにMgO第1バッファ層34を10nmエピタキシャル成長させる。
Here, pulsed light of a KrF
このとき、水晶基板40の表面における法線方向と45度をなす方向から、アルゴンイオンビームを基板上に照射する。ここで、イオンビームソース源としては、Kauffmannイオンソースが好ましく、イオンビームの加速電圧は200eV程度、電流を10mA程度とするのが好ましい。
基板温度は、特にヒータ等による温度制御をするものではないが、アルゴンイオンビームの衝撃により基板温度は50〜70℃に上昇する。
At this time, an argon ion beam is irradiated onto the substrate from a direction that is 45 degrees with the normal direction on the surface of the
The substrate temperature is not particularly controlled by a heater or the like, but the substrate temperature rises to 50 to 70 ° C. due to the impact of the argon ion beam.
MgO第1バッファ層34を堆積した後、第2の実施形態と同様の方法にて、SrTiO3第2バッファ層35を100nmエピタキシャル成長させて、基板42を得る。
成膜したバッファ層32の上に、上述した第2の実施形態と同様の方法にて初期層14を5nm堆積させる。
同様に蒸発工程及び析出工程に移行して、初期層14の上にK0.6Nb0.4Oy層25aを200nm堆積する。
堆積直後のK0.6Nb0.4Oy層25aに対し、第1の実施形態と同様にKrFエキシマ・レーザー・ビーム23のパルス供給の間に、初期層14を結晶成長の核として固相部26からKNbO3単結晶層12を析出させ、残った液相部27を蒸発させる。
こうして、KNbO3単結晶層12を200nmエピタキシャル成長させる。
After depositing the MgO
On the formed
Similarly, the process proceeds to an evaporation step and a precipitation step, and a K 0.6 Nb 0.4 O y layer 25a is deposited on the
The K 0.6 Nb 0.4 O y layer 25a immediately after deposition is solidified with the
Thus, the KNbO 3
こうして、KNbO3及びSrTiO3をそれぞれ斜方晶及び立方晶で指数表示した場合、膜面に垂直方向にKNbO3(001)/SrTiO3(100)/MgO(100)、面内方向にKNbO3<110>//SrTiO3<010>//MgO<010>の方位関係を有するKNbO3単結晶薄膜41を製膜する。
ここで、KNbO3が斜方晶(001)配向となるのは、降温過程において熱膨張率の比較的小さな水晶基板40から引張応力を受け、a、b、c、3つの軸のうち一番熱膨張率の小さなb軸が基板面内に配向するためである。
なお、プラズマプルーム24が、十分水晶基板40に到達でき、かつ液相部27が残留しないように堆積速度と液相部27との蒸発量バランスが取れるならば、各条件は上記に限られるものではない。
また、上述した析出工程において、成膜母材17aをx=0.6のK0.6Nb0.4Oyとしたが、当該酸素分圧下で0.5≦x≦xEの範囲内であれば、同様のKNbO3単結晶薄膜を得ることができる。
Thus, when the index displayed KNbO 3 and SrTiO 3 with orthorhombic and cubic, respectively, KNbO 3 (001) / SrTiO 3 (100) / MgO (100) to the film surface in the vertical direction, KNbO in-plane direction 3 A KNbO 3 single crystal
Here, KNbO 3 is in the orthorhombic (001) orientation because it receives tensile stress from the
Each condition is limited to the above as long as the
In the above-described deposition step, the film forming
上述したKNbO3単結晶薄膜41上に、第2の実施形態と同様の方法で一対のIDT30a、30bを形成して、図12に示す本実施形態に係る表面弾性波素子43を製造する。
得られた表面弾性波素子43において、IDT30a、30b間を伝播する表面弾性波の遅延時間Vopenから求めた音速は3000m/sであった。また、IDT30a、30b間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Vshortとの差から求めたk2は、KNbO3単結晶薄膜41が(001)配向であるため35%と、本実施形態においても第1の実施形態で得られる表面弾性波素子28より高い値であった。
なお、成膜母材17aとして、ニオブ酸カリウムの代わりにニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムを用いても、K1−xNaxNb1−yTayO3(0≦x≦1、0≦y≦1)なる固溶体薄膜が同様に得られる。
A pair of
In the surface
In addition, even if potassium sodium tantalate niobate is used instead of potassium niobate as the film forming
このKNbO3単結晶薄膜の製造方法によれば、表面弾性波素子に好適で安価な石英、水晶、SiO2被覆シリコン、ダイヤモンド被覆シリコンなどの任意の材料からなる基板上にも、バッファ層32を形成することによってKNbO3単結晶を析出してKNbO3単結晶薄膜を得ることができる。また、KNbO3単結晶薄膜を斜方晶(001)配向で析出させるので、このKNbO3単結晶薄膜41から、k2が最大約50%と優れた表面弾性波素子43を作製することができる。
According to this method of manufacturing a single crystal thin film of KNbO 3 , the
次に、本発明に係る表面弾性波素子が設けられた周波数フィルタについて説明する。
図13に示す周波数フィルタ60は、KNbO3単結晶薄膜10、33、41の何れか一つからなる表面弾性波素子61と、表面弾性波素子61の表面を伝播する表面弾性波を吸収する一対の吸音部62a、62bとを備えている。
表面弾性波素子61の上面には、一対のIDT63a、63bが形成されている。このIDT電極63a、63bは、Al又はAl合金で構成され、厚さがIDTピッチの100分の1程度に設定されている。
IDT電極63aには、高周波信号源64が接続されており、IDT63bには、端部に端子65a、65bとを備える信号線65が接続されている。
吸音部62a、62bは、IDT63a、63bを挟み込むように形成されている。
Next, the frequency filter provided with the surface acoustic wave device according to the present invention will be described.
A
A pair of IDTs 63 a and 63 b are formed on the upper surface of the surface
A high
The
周波数フィルタ60においては、高周波数信号源64から高周波信号を出力するとIDT63aに印加して、表面弾性波素子61の上面に表面弾性波が発生する。この表面弾性波は、約4000m/s程度の速度で表面弾性波素子61上面を伝播する。この表面弾性波のうち、IDT63aから吸音部62a側へ伝播した表面弾性波は、吸音部62aで吸収される。しかし、IDT63b側に伝播した表面弾性波のうち、IDT63bの配線ピッチ等に応じて定まる特定の周波数、又は特定の帯域における周波数を有する表面弾性波は電気信号に変換される。
残りの大部分は、IDT63bを通過して吸音部62bに吸収される。
In the
Most of the rest passes through the
この周波数フィルタ60によれば、IDT63aに供給した電気信号のうち、特定の周波数、又は、特定の帯域における周波数を有する表面弾性波のみを高効率で得る(フィルタリング)ことができる。
According to the
図14に示す周波数発振器70は、KNbO3単結晶薄膜10、33、41の何れか一つからなる表面弾性波素子71を備えている。
表面弾性波素子71の上面には、IDT72と、このIDT72を挟み込んで一対のIDT73a、73bが形成されている。これらのIDT72、73a、73bは、Al又はAl合金で構成され、厚さがIDTピッチの100分の1程度に設定されている。
IDT72は、さらに、一対の櫛歯状電極72a、72bを備えている。一方の櫛歯状電極72aには、高周波信号源74が接続されており、他方の櫛歯状電極72bには端子75a、75bを有する信号線76が接続されている。
A
On the upper surface of the surface
The
この周波数発振器70において、高周波信号源74から高周波信号を出力すると、この周波数信号は、櫛歯状電極72aに印加され、表面弾性波素子71の上面にIDT73a側に伝播する表面弾性波、及びIDT73b側に伝播する表面弾性波を発生させる。この表面弾性波は、約4000m/s程度の速度である。
これらの表面弾性波のうちの特定の周波数成分の表面弾性波が、IDT73a、73bそれぞれで反射され、IDT73a、73bの間に定在波が発生する。この定在波のうち、特定の周波数成分が共振して振幅が増大する。
この周波数成分、又は、特定の帯域における周波数成分を有する表面弾性波の一部が、櫛歯状電極72bから取り出されて、IDT73a、73bの共振周波数に応じた周波数(又は、ある程度の帯域を有する周波数)の電気信号が端子75a、75bから取り出される。
In this
Of these surface acoustic waves, surface acoustic waves having a specific frequency component are reflected by the
A part of the surface acoustic wave having this frequency component or a frequency component in a specific band is extracted from the comb-
図15に、この周波数発振器70をVCSO(Voltage Controlled SAW Oscillator:電圧制御SAW発振器)80に応用した一例を示す。このVCSO80は、金属製(アルミニウム、又はステンレススチール製)の筐体81内部に実装されている。VCSO80は、SAW基板82上に、IC(Integrated Circuit)83と周波数発振器84とが実装されている。IC83は、図示しない外部回路から入力した電圧値に応じて、周波数発振器84に印加する周波数を制御するものである。
周波数発振器84が具備する表面弾性波素子85上には、IDT86a、86b、86cが形成されている。SAW基板82上には、IC83と周波数発振器84とを電気的に接続するための配線87がパターンニングされている。IC83及び配線87が金線等のワイヤ線88a、88bによって接続されて電気的にも接続される。
FIG. 15 shows an example in which the
IDTs 86a, 86b, and 86c are formed on the surface
このVCSO80は、例えば、図16に示すPLL(Phase Locked Loop)回路90のVCO(Voltage Controlled Oscillator)91として用いられる。PLL回路90は、入力端子92、位相比較器93、低減フィルタ94、増幅器95とを他に備えている。
位相比較器93は、入力端子92から入力される信号の位相(又は周波数)とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力する。低減フィルタ94は、位相比較器93から出力される誤差電圧信号の位置の低周波数成分のみを通過させ、増幅器95は、低減フィルタ94から出力される信号を増幅する。VCO91は、入力される電圧値に応じてある範囲で連続的に発振周波数が変化する発振回路である。
This
The
このPLL回路90は、入力端子92から入力される位相(又は周波数)との差が減少するように動作する。すなわち、VCO91から出力される信号の周波数が入力端子92から入力される信号の周波数に同期すると、その後は、一定の位相差を除いて入力端子92から入力する信号に一致し、入力信号の変化に追従する信号を出力する。
この周波数発振器70によれば、KNbO3単結晶薄膜10、33、41の何れか一つを備えているので、小型で安価であるとともに、広帯域の信号に対応できる高機能なフィルタ特性を得ることができる。
The
According to the
次に、周波数フィルタ60及び周波数発振器70が具備され、図17に示す電気的構成を有する電子回路100について説明する。この電子回路100は、例えば、図18に示す携帯電話機(電子機器)101の内部に設けられている。この携帯電話機101は、液晶表示部102、及び操作釦103とを備えている。
電子回路100は、送話器104、送信信号処理回路105、送信ミキサ106、送信フィルタ107、送信電力増幅器108、送受分波器109、アンテナ110、低雑音増幅器111、受信フィルタ112、受信ミキサ113、受信信号処理回路114、受話器115、周波数シンセザイザ116、制御回路117、及び入力/表示回路118とを備えている。
Next, the
The
送話器104は、音声等の音波信号を電波信号に変換するマイクロフォン等であり、送信信号処理回路105は、送話器104から出力される電気信号に対して、D/A変換処理、変調処理等の処理を行っている。送信ミキサ106は、周波数シンセサイザ116から出力される信号を用いて送信信号処理回路105から出力される信号をミキシングする。送信フィルタ107は、図13に示す周波数フィルタ60であり、中間周波数(IF)のうち必要となる周波数を有する信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットする。通過した信号は、図示しない変換回路によってRF信号に変換される。送信電力増幅器108は、RF信号の電力を増幅し、送受分波器109へ出力する。
送受分波器109は、増幅されたRF信号をアンテナ110から電波の形で送信する。また、アンテナ110から受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器111へ出力する。
The
The transmitter /
低雑音増幅器111は、入力された信号を増幅して図示しない変換回路に出力し、変換回路は、この信号をIFに変換する。受信フィルタ112は、図13に示す周波数フィルタ60であって、IFのうち必要となる周波数を有する信号のみを通過させ、不要となる信号をカットする。
受信ミキサ113は、周波数シンセサイザ116から出力される信号を用いて受信フィルタ112から出力される信号をミキシングする。
受信信号処理回路114は、受信ミキサ113から出力される電気信号に対して、D/A変換処理、復調処理等の処理を行っている。
受話器115は、電波信号を音声等の音波信号に変換する小型スピーカ等で構成されている。
The
The
The reception
The
周波数シンセサイザ116は、上述した図16に示すPLL回路90を備え、PLL回路90から出力する信号を分周して送信ミキサ106及び受信ミキサ113に供給する信号を生成し、一部をさらに分周して受信ミキサ113へ供給する信号を生成する。これらの信号は、送信フィルタ107及び受信フィルタ112で個別に設定されている。
入力/表示回路118は、携帯電話機101の使用者に対して機器の状態を表示したり、使用者の指示を入力するためのものであり、図18に示す液晶表示部102及び操作釦103に相当する。
制御回路117は、上記の送信信号処理回路105、受信信号処理回路114、周波数シンセサイザ116、及び入力/表示回路118を制御することによって、携帯電話機101の全体動作を制御する。
この電子回路100及び携帯電話機101によれば、KNbO3単結晶薄膜10、33、41の何れか一つを備えているので、小型化、広帯域化、省電力化を向上することができる。
The
The input /
The
According to the
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では電子機器として携帯電話機101とし、電子回路として携帯電話機101内に設けられた電子回路100としたが、本発明は、携帯電話機に限られるものではなく、種々の移動体通信機器及びその内部に設けられる電子機器に適用することができる。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the
さらに、移動体通信機器のみならずBS(Broadcast Satellite)及びCS(Commercial Satellite)放送を受信するチューナ等の据置状態で使用される通信機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。また、通信キャリアとして空中を伝播する電波を使用する通信機器のみならず、同軸ケーブル中を伝播する高周波信号、又は光ケーブル中を伝播する光信号を用いるHUB等の電子機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。 Furthermore, the present invention can be applied not only to mobile communication devices but also to communication devices used in a stationary state such as tuners that receive BS (Broadcast Satellite) and CS (Commercial Satellite) broadcasts, and electronic circuits provided therein. . In addition to communication devices that use radio waves propagating in the air as communication carriers, electronic devices such as HUBs that use high-frequency signals propagating in coaxial cables, or optical signals propagating in optical cables, and the electronics provided therein It can also be applied to circuits.
10、33、41 ニオブ酸カリウム単結晶薄膜、11、31、42 基板、12 ニオブ酸カリウム単結晶層(ニオブ酸カリウム単結晶)、13 チタン酸ストロンチウム単結晶基板(基板)、24 プラズマプルーム(原料)、26 固相部、27 液相部、28、36、43、61、71、85 表面弾性波素子、31a シリコン単結晶基板(基板)、32 バッファ層、34 第1バッファ層、35 第2バッファ層、40 水晶基板(基板本体)、60 周波数フィルタ、70、84 周波数発振器、100 電子回路、101 携帯電話機(電子機器) 10, 33, 41 Potassium niobate single crystal thin film, 11, 31, 42 substrate, 12 Potassium niobate single crystal layer (potassium niobate single crystal), 13 Strontium titanate single crystal substrate (substrate), 24 Plasma plume (raw material) ), 26 Solid phase part, 27 Liquid phase part, 28, 36, 43, 61, 71, 85 Surface acoustic wave element, 31a Silicon single crystal substrate (substrate), 32 Buffer layer, 34 First buffer layer, 35 Second Buffer layer, 40 Crystal substrate (substrate body), 60 Frequency filter, 70, 84 Frequency oscillator, 100 Electronic circuit, 101 Mobile phone (electronic device)
Claims (17)
所定の酸素分圧におけるニオブ酸カリウムと3K2O・Nb2O5との共晶点Eにおける温度及びモル組成比をTE、xEとするとき(xは、KxNb1−xOyで表現されるときのカリウム(K)とニオブ(Nb)とのモル比)、
基板上に堆積させた直後の前記xが、0.5≦x≦xEの範囲となるように気相状態の原料を前記基板に供給し、
前記酸素分圧及び前記xにおける完全溶融温度をTmとするとき、
前記基板の温度TsをTE≦Ts≦Tmの範囲に保持して、ニオブ酸カリウム単結晶を析出させる析出工程と、
固相部と液相部とが共存する前記KxNb1−xOyから液相部を蒸発させる蒸発工程とを備えていることを特徴とするニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法。 A method for producing a potassium niobate single crystal thin film by a vapor phase method,
When the temperature and molar composition ratio at the eutectic point E of potassium niobate and 3K 2 O · Nb 2 O 5 at a predetermined oxygen partial pressure are T E and x E (x is K x Nb 1-x O the molar ratio of potassium (K) and niobium (Nb) as expressed by y ),
Supplying a raw material in a gas phase state to the substrate so that x immediately after being deposited on the substrate is in a range of 0.5 ≦ x ≦ x E ;
When the partial pressure of oxygen and the complete melting temperature at x are T m ,
A deposition step of depositing a potassium niobate single crystal while maintaining the temperature T s of the substrate in a range of T E ≦ T s ≦ T m ;
A method for producing a potassium niobate single crystal thin film, comprising: an evaporation step of evaporating the liquid phase portion from the K x Nb 1-x O y in which the solid phase portion and the liquid phase portion coexist.
前記基板上に、前記単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1又は2記載のニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法。 As the substrate, a substrate having a crystal axis oriented on both the vertical and in-plane directions of the substrate surface,
The method for producing a potassium niobate single crystal thin film according to claim 1 or 2, wherein the single crystal is epitaxially grown on the substrate.
該バッファ層として、前記基板上に該基板面の結晶方位とは無関係に面内配向成長させた第1バッファ層と、該第1バッファ層上にエピタキシャル成長させた酸化物からなる第2バッファ層とを、イオンビーム照射を伴う気相法によって作製することを特徴とする請求項6記載のニオブ酸カリウム単結晶薄膜の製造方法。 As the substrate, use is made of a substrate body composed of any material of quartz, quartz, SiO 2 coated silicon, diamond coated silicon, and a buffer layer formed on the substrate body,
As the buffer layer, a first buffer layer grown in-plane on the substrate regardless of the crystal orientation of the substrate surface, and a second buffer layer made of oxide epitaxially grown on the first buffer layer, The method of manufacturing a potassium niobate single crystal thin film according to claim 6, wherein the method is manufactured by a vapor phase method involving ion beam irradiation.
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